confinamiento de plasma

Dentro de una llamarada solar, las líneas magnéticas se rompen como gomas elásticas tensas y se vuelven a cruzar, liberando en minutos una energía que bastaría para abastecer a la humanidad durante millones de años. En el laboratorio, este proceso, la reconexión magnética, durante mucho tiempo solo se podía iniciar, pero no detener.

Un reactor de fusión es como un horno sobrecalentado donde el plasma alcanza millones de grados. Las paredes de ese horno se hacen de tungsteno: es el metal más refractario que existe. Pero ni el tungsteno aguanta sin protección: las partículas rápidas del plasma bombardean la superficie y arrancan átomos.

El plasma de microondas en un vórtice es como una batidora de cocina que calienta y mezcla el gas a la vez. En el reactor, el gas se hace girar y las microondas lo calientan hasta miles de grados, rompiendo las moléculas de dióxido de carbono. Los científicos han creado un modelo computacional de este reactor para entender cómo afecta la presión al proceso.

En una olla de sopa hirviendo, las pequeñas gotas de grasa flotan hacia arriba, mientras que los trozos pesados de verduras se hunden al fondo.

Un espejo magnético es un tubo abierto por ambos extremos. El campo magnético en su interior está dispuesto de modo que el plasma caliente no se escape: en los extremos se concentra, como un tapón en una botella. Las partículas de plasma que vuelan hacia la salida son repelidas por estos «tapones» y regresan.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

El té caliente se enfría y el helado se derrite: el calor siempre pasa de lo cálido a lo frío, y esta ley parecía inquebrantable. Pero en el mundo cuántico, incluso las reglas habituales pueden reescribirse.

El Sol es una caldera gigante donde la luz se abre paso a través de una espesa capa de materia incandescente. En su camino hacia la superficie, los fotones (partículas de luz) chocan constantemente con los átomos y pierden energía. La medida en que la materia retiene la luz se denomina «opacidad», y de ella depende la rapidez con que el calor escapa hacia el exterior.

En un mundo atrapado en una red cristalina y enfriado casi al cero absoluto, la materia sabe ocultar sus secretos profundos. Un líquido de espín cuántico es un estado en el que los espines de los electrones nunca se congelan, incluso a temperatura cero, permaneciendo en una superposición eternamente fluctuante.

Dentro de un reactor de fusión arde un plasma: un gas calentado a millones de grados. No hay ventanas directas hacia él, y las cámaras y sensores se estropean rápidamente. Los ingenieros solo ven fragmentos de información: unos pocos sensores en distintos puntos. Es como intentar entender una sinfonía escuchando tres micrófonos en una sala enorme.

En una olla, el agua hierve: las burbujas burbujean y el calor se escapa rápidamente al aire. En el centro del reactor de fusión ARC, el plasma se comporta de manera similar, solo que en lugar de burbujas hay vórtices turbulentos, y en lugar de aire, un campo magnético que debe retener el calor. Los vórtices estorban: transportan calor hacia afuera y enfrían el plasma.

En una mesa de sonido hay cientos de perillas de volumen, y cada una influye en las vecinas. Giras una y cambia el panorama general, pero solo puedes comprobar el resultado escuchando todo el acorde, lo que lleva horas. Así más o menos se diseña el pulso láser para la fusión por confinamiento inercial.

Un secador de pelo potente que no sopla aire caliente, sino plasma incandescente: así son los túneles aerodinámicos de plasma. Se utilizan para probar en la Tierra cómo una nave espacial entrará en la atmósfera.

Las leyes cuánticas gobiernan el mundo de los átomos. Para que un objeto grande también se vuelva cuántico, hay que congelarlo casi hasta el cero absoluto en criostatos. Los físicos hicieron lo contrario: con un láser silenciaron una membrana a temperatura ambiente. La membrana, como una diminuta campana, vibra por los empujones térmicos.

Si metes dos termómetros idénticos en una olla con agua caliente, marcarán lo mismo, y nos tranquilizamos: la temperatura está bien medida. Pero en un gas enrarecido calentado a millones de grados, este truco deja de funcionar. Aquí las partículas casi no chocan entre sí, por lo que los electrones más rápidos se escapan, mientras que los lentos se acumulan en el centro.

Una palmada comprime el aire y este se dispersa: el choque más simple. En el espacio, el papel de las palmas lo desempeñan las estrellas que explotan: sus ondas de choque comprimen bruscamente el gas y desencadenan una mezcla caótica: la turbulencia.

En una olla de sopa hirviendo, de vez en cuando saltan pequeñas gotas de grasa, cien veces más calientes que el caldo. Así es más o menos el futuro plasma de fusión: la mayor parte de los iones se calienta a cientos de millones de grados, y una pequeña impureza de partículas 'rápidas' (nacidas de la fusión de núcleos) está aún más acelerada.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

Un flujo de electrones entra en el plasma como un chorro de agua golpea un estanque tranquilo. El chorro perturba la superficie, generando ondas que crecen rápidamente y mezclan el agua. En el plasma, este proceso se llama inestabilidad de Buneman: el haz de electrones excita oscilaciones que luego disipan su energía.

Un torrente de gas incandescente se aleja de la estrella y, de repente, se detiene como si hubiera chocado contra una pared invisible. Esto es exactamente lo que vieron los investigadores al intentar reproducir una eyección estelar a escala de laboratorio.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

Dentro de los grandes aceleradores de partículas hay cámaras metálicas huecas donde se aceleran los haces. Con el tiempo, en sus paredes se deposita una capa de suciedad, como en una olla vieja. Esa suciedad impide que el acelerador funcione a plena potencia.

El plasma caliente en un tokamak se parece a una bestia caprichosa: hay que contenerlo, pero sin dejar que se sobrecaliente. En el reactor ASDEX Upgrade han encontrado un modo en el que los vórtices del plasma resuelven este problema por sí solos.

La olla para la sopa suele ser redonda y la sartén, plana. La forma del recipiente determina cómo burbujea el agua hirviendo. En un tokamak, el dispositivo donde el gas sobrecalentado se confina con campos magnéticos, la forma del plasma tampoco se elige al azar.

En un plasma donde algunos átomos permanecen neutros, las líneas de campo magnético pueden reorganizarse a diferentes velocidades. Es como dos bandas elásticas que primero están enganchadas y de repente se sueltan y se contraen, liberando energía.

Antes de cada arranque de un tokamak —el dispositivo donde un gas sobrecalentado se mantiene confinado por un campo magnético—, los operadores pasan horas calculando cómo se comportará el plasma. Equivocarse es demasiado caro: un solo parámetro incorrecto puede arruinar el experimento.

El plasma caliente es como una bandada de luciérnagas veloces que se agitan dentro de un frasco. Mantenerlo en una trampa magnética abierta es como tratar de que las luciérnagas no toquen las paredes. Un nuevo modelo computacional muestra cómo hacerlo con mayor precisión.

Un reactor de fusión es el intento de contener un pequeño sol en una jaula magnética. Para que produzca más energía, hay que comprimir el plasma hasta hacerlo más denso. Pero los tokamaks tienen una valla invisible: en cuanto la densidad supera cierto umbral, el plasma se estremece y se desmorona.

En un vaso de refresco, las burbujas suben alegremente hacia la superficie. Pero si congelas el agua, algunas burbujas quedan atrapadas en el hielo. ¿Cómo llegan allí? El hielo crece empujando el gas, pero no siempre tiene tiempo de hacerlo.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

Encender un miniatura sol es un viejo sueño de la humanidad. Generalmente, los científicos intentan confinar plasma incandescente (gas de partículas cargadas) a temperaturas de cientos de millones de grados.

Cinco átomos de calcio cargados flotan en una trampa, sostenidos por campos eléctricos. El enfriamiento por láser les quita el exceso de energía y se alinean formando una diminuta pirámide de base cuadrada. Pero esta pirámide no permanece estática: de vez en cuando se voltea, como si alguien la lanzara al aire y la atrapara boca abajo.

Un reactor de fusión se asemeja a una caldera gigante donde se «cuece» helio a partir de hidrógeno. El plasma en su interior alcanza 150 millones de grados, diez veces más caliente que el núcleo del Sol. Pero como en cualquier caldera, aquí se forma sarro: impurezas dañinas que se depositan en las paredes y apagan el plasma.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.

Seis iones de bario se alinean formando un hexágono plano dentro de una trampa de Paul, un dispositivo que retiene partículas cargadas mediante campos eléctricos alternos.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápidamente, tiñendo todo el líquido. Algo similar ocurre con los electrones en un metal: se mueven libremente, como moléculas en un gas. Pero si en ese medio aparece una impureza magnética —un átomo con su propio momento magnético—, sucede algo extraño.